第1章 机床概论

第1章机床概论1.1金属切削机床

1.2机床的运动与传动1.3数控加工技术与设备概述1.1金属切削机床1.1.1金属切削机床及其地位和作用1.1.2金属切削机床发展概况1.1.3金属切削机床的分类与编号1.1.1金属切削机床及其地位和作用金属切削机床简称机床，它是利用刀具对金属毛坯进行切削来加工机械零件的一种工作机械。它是制造机器的机器，称为“工作母机”或“工具机”。在现代化机械制造工业中，金属切削机床是加工机器零件的主要设备。在一般的机械制造中，机床所负担的加工工作量，约占机器制造总工作量的40％～60％，它的技术性能高低直接影响到机械产品的质量和制造经济性。机械制造工业是制造各种机械设备及工具的工业部门，担负着为国民经济中各部门提供现代化技术设备及装备的重要任务。一个国家要实现工业、农业、国防、科学技术现代化，必须具有强大的机械制造业，而机床工业则是为机械制造业提供各种制造设备的“装备部”，是机械制造业的后盾。因此，机床工业在国民经济中占有重要地位，是整个国民经济发展的重要推动力，也是衡量一个国家经济实力的标志之一。1.1.2金属切削机床发展概况金属切削机床的出现，推动了社会生产力的发展，而工业的发展及不断涌现的科学技术成果又使机床工业本身得以不断发展。早在18世纪中叶，就出现了现代机床的雏形。早期的机床采用蒸汽机当动力，加工精度不高，如最早的汽缸镗床的加工精度约为1mm左右。自从1952年第—台数控机床问世到现在的50多年中，数控技术的发展非常迅速，几乎所有品种的机床都实现了数控化。数控机床是一种用计算机组成的计算装置控制的、高效的自动化机床，它综合应用了机械制造技术、自动控制技术、精密测量技术、液压传动和机床结构等方面的最新成就，从而形成了巨大的生产力，导致制造业发生了根本性的变化。数控技术已成为现代制造技术的基础。数控技术水平的高低，数控机床拥有量的多少已成为衡量一个国家工业现代化水平的重要标志。如今，数控机床也已成为组成现代机械制造生产系统，实现设计(CAD)、制造(CAM)、检验(CAT)与生产管理等全部生产过程自动化的基本没备。1.1.3金属切削机床的分类与编号按照机床的加工方式，使用的刀具及其用途，将机床分为11类：车床、钻床、镗床、磨床、齿轮加工机床、螺纹加工、铣床、刨插床、拉床、锯床及其它机床等。按照工艺范围的宽窄（万能程度），机床可分为：通用机床、专门化机床、专用机床。通用机床的加工范围较广，可加工多种零件的不同工序。常见的有卧式车床、万能升降台铣床、卧式铣镗机床等。专门化机床用于加工不同尺寸的一类或几类零件的某一道（或几道）特定工序，如曲轴车床、凸轮轴车床、精密丝杠车床等。专用机床是为某一特定零件的特定工序所设计的，其工艺范围最窄。如加工机床主轴箱的专用镗床、加工车床导轨的专用磨床等。各种组合机床也属于专用机床。按照加工精度不同，可分为：普通精度级、精密级和高精密级三种精度等级的机床。按照自动化程度的不同，可分为：手动、机动、半自动和自动机床。按照机床的质量和尺寸不同，可分为：仪表机床、中型机床、大型机床(质量达到：10t)、重型机床(质量在30t以上)、超重型机床(质量在100t以上)。1．机床的分类

机床型号是机床产品的代号，用以简明地表示机床的类型、主要技术参数、性能和结构特点等。我国的机床型号现在是按1997年颁布的标准GB/T16768-1997《金属机械机床型号编制方法》编制的。（1）型号表示方法通用机床的型号由基本部分和辅助部分组成。基本部分统一管理，辅助部分由生产厂家自定。型号的构成如下：2．机床型号的编制方法其中：1)有“()”的代号或数字，当无内容时则不表示，若有内容则不带括号；2)有“○”符号者，为大写的汉语拼音字母；3)有“△”符号者，为阿拉伯数字；4)有“◎”符号者，为大写的汉语拼音字母，或阿拉伯数字，或两者兼有之。（2）机床类、组、系的划分及其代号为了便于区别、管理和使用机床，在国家制订的机床型号编制方法中，机床的类代号，用大写的汉语拼音字母表示。机床类别代号见表1-1。表1-1普通机床类别代号

类别车床钻床镗床磨床齿轮加工机床螺纹加工机床特种加工机床铣床刨插床拉床锯床其它机床代号CZTM2M3MYSDXBLGQ读音车钻镗磨二磨三磨牙丝电铣刨拉割其它每类机床划分为10个组，每个组又划分为10个系(系列)。在同类机床中，主要布局和使用范围基本相同的机床，即为同一组；在同一组机床中，其主参数相同，主要结构及布局形式相同的机床为同一系。机床的组、系代号用两位阿拉伯数字表示，位于类代号和通用特性代号、结构特性代号之后；机床的系，用一位阿拉伯数字表示，位于组代号之后。各类机床组的代号及划分见表1-2。表1-2金属切削机床类、组划分表

组别类别组类0123456789车床C仪表车床单轴自动车床多轴自动、半自动车床回轮、转塔车床曲轴及凸轮轴车床立式车床落地及卧式车床仿形及多刀车床轮、轴、辊、锭及铲齿车床其它车床钻床Z

坐标镗钻床深孔钻床摇臂钻床台式钻床立式钻床卧式钻床铣钻床中心孔钻床其它钻床镗床T

深孔镗床

坐标镗床立式镗床卧式铣镗床精镗床汽车、拖拉机修理用镗床其它镗床磨

床M仪表磨床外圆磨床内圆磨床砂轮机坐标磨床导轨磨床刀具刃磨床平面及端面磨床曲轴、凸轮轴、花键轴及轧辊磨床工具磨床2M

超精机内圆珩磨机外圆及其它珩磨机抛光机砂带抛光及磨削机床刀具刃磨及研磨机床可转位刀片磨削机床研磨机其它磨床3M

球轴承套圈沟磨床滚子轴承套圈滚道磨床轴承套圈超精机

叶片磨削机床滚子加工机床钢球加工机床气门、活塞及活塞环磨削机床汽车、拖拉机修磨机床齿轮加工机床Y仪表齿轮加工机

锥齿轮加工机滚齿机及铣齿机剃齿及珩齿机插齿机花键轴铣床齿轮磨齿机其它齿轮加工机齿轮倒角及检查机螺纹加工机床S

套丝机攻丝机

螺纹铣床螺纹磨床螺纹车床铣床X仪表铣床悬臂及滑枕铣龙门铣床平面铣床仿形铣床立式升降台铣床卧式升降台铣床床身铣床工具铣床其它铣床刨插床B

悬臂刨床龙门刨床

插床牛头刨床

边缘及模具刨床其它刨床拉床L

侧拉床卧式外拉床连续拉床立式内拉床卧式内拉床立式外拉床键槽、轴瓦及螺纹拉床其它拉床锯床G

砂轮片锯床

卧式带锯床立式带锯床圆锯床弓锯床锉锯床

其它机床Q其它仪表机床管子加工机床木螺钉加工机

刻线机切断机多功能机床

(3)通用特性代号、结构特性别号通用特性代号有统一的固定含义，它在各类机床型号中所表示的意义相同。当某类机床除有普通形式外，还有某种通用特性，则在类代号之后加通用特性代号予以区分。通用特性代号见表1-3。表1-3通用特性代号对主参数相同而结构、性能不同的机床，在型号中加结构特性代号予以区分。它在型号中没有统一的含义。结构特性代号用汉语拼音字母表示，排在类代号之后。当型号中有通用特性代号时应排在通用特性代号之后。通用特性高精度精密自动半自动数控加工中心（自动换刀）仿形轻型加重型简式柔性加工单元数显高速代号GMZBKHFQCJRXS读音高密自半控换仿轻重简柔显速(4)主参数、主轴数和第二主参数的表示方法机床主参数代表机床规格大小，用折算值表示，位于系代号之后。当折算数值大于1时，取整数，前面不加“0”，当折算数值小于1时，则以主参数值表示，并在前面加“0”。某些通用机床，当其无法用一个主参数表示时，则在型号中用设计顺序号表示。机床的主轴数应以实际数值列入型号，置于主参数之后，用乘号“×”分开。主轴数是必须表示的。第二主参数(多轴机床的主轴数除外)一般不予表示，当机床的最大工件长度、最大切削长度、工作台面长度、最大跨距等以长度单位表示的第二主顷数的变化，将引起机床结构、性能发生较大变化时，为了区分，可将第二主参数列入型号的后部，并用分开，读作“乘”。凡属长度（包括跨距、行程等）的，采用“1/100”的折算系数；凡属直径、深度、宽度的，则采用“1/10”的折算系数；如以厚度、模数作为第二主参数的则以实际数值列入型号。(5)机床的重大改进顺序号当机床的结构、性能有更高的要求，须按新产品重新设计、试制和鉴定时，按照改进的先后顺序用汉语拼音字母A、B、C…加在基本部分的尾部，以区别原机床型号。

(7)企业代号及其表示方法企业代号包括机床生产厂家及机床研究所单位代号，置于辅助部分尾部，用“／”分开。若辅助部分仅有企业代号时，可不加“／”。通用机床型号实例：例一北京机床研究所生产的精密卧式加工中心，其型号为：THM6365／JCS。例二沈阳第二机床厂生产的最大钻孔直径为40mm，最大跨距为1600mm的摇臂钻床，其型号为：Z3040／S2。例三某机床厂生产的经第一次改进的精密磨床，其工作台宽度为320mm，其型号为：MM7132A。例四济南第一机床厂生产的最大车削直径为250mm精密卧式车床，其型号为：CM6125/J1。例五苏州三光机床厂生产的工作台横向行程为200mm，快速走丝的数控电火花线切割机床其型号为：DK7720除了主参数和第二主参数外，还有一些反映机床性能的技术参数。这些技术参数主要包括尺寸参数，运动参数及动力参数：尺寸参数反映了机床能加工零件的尺寸范围以及与附具的联系尺寸，例如卧式车床的顶尖距、主轴内孔锥度，摇臂钻床的摇臂升降距离、主轴行程等。运动参数反映了机床执行件的运动速度，如主轴的转速范围、刀架或工作台的进给量范围等，动力参数多指电动机功率、某些机床的主轴最大允许扭矩等。了解机床的主要技术参数，对于正确使用和合理选用机床具有重大意义。例如根据工艺要求，确定切削用量后，就应按照机床所能提供的功率及运动参数，选择合适的机型。又如在计夹具时，应充分考虑机床的尺寸参数，以免夹具不能正确安装或发生运动干涉。机床的各种主要技术参数，可从机床说明书中查出。3．金属切削机床的主要技术参数1.2机床的运动与传动1.2.1机床运动1.2.2机床的传动1.2.3传动系统图机床的运动就是使刀具按一定规律切除毛坯上多余金属,而获得具有一定几何形状、尺寸精度、位置精度和表面质量的工件的一系列运动。1.2.1机床运动机床的运动按其功用不同可分为表面成形运动和辅助运动。下面以车削加工中的运动为例,介绍机床的运动,如图1-1所示。图1-1表面成形运动简图1．表面成形运动表面成形运动是直接参与切削过程，从而在工件上形成工件表面的刀具与工件间的相对运动。表面成形运动的形式和数量，决定了被加工表面的形状、所采用的加工方法和刀具的结构。表面成形运动可分为机床的主运动和机床的进给运动。机床的主运动是实现切削的主要运动。它的特点是速度较高及消耗的动力较多。主运动常常是回转运动，可以是工件回转(如车床的主运动)，也可是刀具回转(如钻床、铣床、镗床等的主运动)，常以n(r／min)表示。主运动也有是直线运动的(如刨床、拉床等机床的主运动)。机床的进给运动是实现切削的进给运动。它的特点是速度较低及消耗的动力较少。进给运动可由刀具完成(如图示刀具的进给运动)，也可由工件完成(如铣床、镗床和磨床等的进给运动)；可以是连续的(如车床的进给运动)，也可是间歇的(如刨床的进给运动)；可以是一个(如车削外圆柱表面时)，也可有几个(如滚齿时)。个别情况没有进给运动(如拉削时)。2．辅助运动机床的辅助运动是指机床上除表面成形运动以外，机床上其他所需的运动。其作用是实现机床的各种辅助动作。从现代机床控制角度来看机床运动，机床运动同样可分为主运动、进给运动和辅助运动三大类。主运动同前面的定义一样。而进给运动则可定义为是机床主机上除主运动以外的刀具移动、工件移动和工件转动等有关刀具和工件的机床运动。辅助运动是除主运动和进给运动以外的机床上所有的其它运动(如主轴变速、自动换刀、工件自动夹紧和工件自动交换等运动)。3．金属切削加工金属切削加工是用切削工具(包括刀具、磨具和磨料)把坯料或工件上多余的材料层切去成为切屑，使工件获得相应的几何形状、尺寸和表面质量的加工方法。任何切削加工都必须具备三个基本条件：切削工具(常称为刀具)、工件和切削运动。切削运动是刀具与工件之间的相对运动，它由形成切削力的主运动、保证切削连续进行的进给运动组成。主运动和进给运动之间有准确的比例关系形成的合成运动称为合成切削运动(如车削螺纹时的两个运动)。1.2.2机床的传动1．机床的基本组成为获得加工过程中所必需的各种运动，机床应具备三个基本部分：1)执行件执行件是执行运动的部件，如主轴、刀架、工作台等。其任务是带动工件和刀具完成旋转和直线运动，并保证准确的运动轨迹。2)动力源动力源是为执行件提供运动和动力的装置，有交流异步电动机、直流电动机、步进电动机等各种电动机。可以几个运动共用一个动力源，也可每个运动单独使用一个动力源。3)传动装置传动装置是传递运动和动力的装置：。通过它把动力源的动力传递给执行件和把一个执行件的运动传递给另一个执行件，并使有关执行件之间保持某种确定的运动关系。传动装置还可以变换运动性质、方向和速度。机床的传动装置有机械、液压、电气、气压等多种形式。

2．机床的传动链和传动原理图在机床上，为了得到所需的运动，需要通过一系列的传动件把执行件和动力源，或者把执行件和执行件连接起来，这种连接称为传动联系。构成一个传动联系的按一定规律排列的一系列传动件，称为传动链。一条传动链由该链的两端件及两端件之间的一系列传动机构所构成。传动链中通常包含两类传动机构：一类是传动比和传动方向固定不变的传动机构，如定比齿轮副、蜗杆蜗轮副、丝杠和螺母副，称为定比传动机构；另一类是根据加工要求可以变化传动比和传动方向的传动机构，如滑移齿轮变速机构、变向机构等。根据传动联系的性质不同，传动链(运动链)还可分为内、外联系两种。1)内联系传动链内联系传动链用来连接有严格运动关系的两执行件，以获得准确的加工表面形状及较高的加工精度。例如在卧式车床上用螺纹车刀车螺纹时，联系主轴和刀架之间的螺纹传动链，就是一条传动比有严格要求的内联系传动链，它能保证并得到螺纹所需的螺距。2)外联系传动链它是联系动力源和机床执行件之间的传动链，使执行件得到运动，而且能改变运动的速度和方向，但不要求动力源和执行件之间有严格的传动比关系。如车床主运动链的传动比只影响切削速度而不影响表面形状的形成，即使在车削螺纹时，主轴转速的大小只影响车削螺纹速度的快慢，而对螺纹表面的形成并无影响。通常，机床有几种运动，就相应有几条传动链，例如，卧式车床需要有主运动、纵向机动进给运动、横向机动进给运动及车螺纹运动，相应就有主运动传动链、纵向进给传动链，横向进给传动链及车螺纹传动链等。实现一台机床所有运动的传动链就组成了该机床的传动系统。1.2.3传动系统图传动系统图用规定的简单符号表示传动系统中的各传动元件，并按照运动传递顺序，以展开图形式绘在一个能反映机床外形及主要部件相互位置的投影面上。用以了解及分析机床运动源与执行件或执行件与执行件之间的传动联系及传动结构的一种示意图。图1.2所示为一台数控铣床的传动系统图。与传动原理图相比较，传动原理图仅表示机床形成某一表面所需的运动及传动联系，而传动系统图则表示了一台机床所有的运动及其传动联系。另外，传动系统图中具体表示了各传动链的传动元件的结构类型以及作调整计算所需的主要运动参数。在传动系统图中各传动元件是按照运动传递的先后顺序，以展开图的形式画出来的。传动系统图中通常还需注明齿轮的齿数(有时也注明其编号和模数)、带轮直径、丝杠的导程和线数、电动机的转速和功率、传动轴的编号等。传动轴编号，通常是从动力源(电动机等)开始，按运动传递顺序，顺次地用罗马数字Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ…表示。在阅读传动系统图时，首先要了解该机床所具有的执行件及其运动方式，以及执行件之间是否要保持传动联系，然后分析从运动源至执行件或执行件至执行件之间的传动顺序、传动结构及传动关系。以下对图1-3所示传动系统图进行分析。该铣床具有两个执行件，即主轴和工作台。机床工作时，主轴旋转作主运动，工作台作往复直线移动。(1)主运动XK5040A型数控铣床的主运动由7．5kW/1450r／min的主电动机驱动，经带传动到第Ⅰ轴,通过Ⅰ～Ⅱ轴间的三联滑移齿轮变速组，Ⅱ一Ⅲ轴间的三联滑移齿轮变速组，Ⅲ～Ⅳ轴间双联滑移齿轮变速组传至Ⅳ轴，再经Ⅳ～Ⅴ轴间的一对锥齿轮图1.2数控铣床传动系统图副及Ⅴ～Ⅵ上的一对圆柱齿轮传至主轴Ⅵ，使主轴获得18级转速。由电动机至主轴间的传动联系，可简明地用传动路线表达式表示如下：(2)进给运动进给运动有工作台纵向、横向和垂向三个方向的运动。1)纵向、横向进给运动，由FB-15直流伺服电动机驱动，经圆柱齿轮传动带动滚珠丝杠转动，通过丝杠螺母机构实现。2)垂直方向进给运动，由FB—25直流伺服电动机驱动，经齿轮传动带动滚珠丝杠转动。实现垂向进给的伺服电动机带制动器，当断电时Z向刹紧，以防止升降台因自重而下滑。1.3数控加工技术与设备概述1.3.1数控机床的产生和发展1.3.2机床中有关数控的基本概念1.3.3数控机床的组成及其各部分功能1.3.4数控机床分类1.3.5数控机床的规格、性能和可靠性指标1.3.6数控机床的主要功能1.3.7数控机床的发展趋势1.3.1数控机床的产生和发展最早采用数字控制技术进行机械加工的思想，是在20世纪40年代提出的。当时美国北密执安的一个小型飞机工业承包商帕森斯公司(ParsonsCorporation)在制造飞机框架及直升飞机叶片轮廓用样板时，利用全数字电子计算机对叶片轮廓的加工路径进行了数据处理，并考虑了刀具半径对加工路径的影响，使加工精度达到±0.0381mm(±0.0015英寸)。以当时的水平来看，是相当高的。1952年，美国麻省理工学院研制出一套试验性数字控制系统，并把它装在一台立式铣床上，成功地实现了同时控制三轴的运动。这台数控机床被大家称为世界上第一台数控机床，是数控机床的第一代。但是这台机床毕竟是一台试验性的机床，到了1954年11月，在帕尔森斯专利基础上，第一台工业用的数控机床由美国本迪克斯公司(BendixCooperation)生产出来。随着计算机的发展，数控机床也得到迅速的发展和广泛的应用，特别是加工中心(MC，MachiningCenter)、直接数字控制系统(DNC，DirectNumericalControl)、柔性制造系统(FMS，FlexibleManufacturingSystem)、计算机集成制造系统(CIMS，ComputerIntegratedManufacturingSystem)、智能制造系统(IMS，IntelligentManufacturingSystem)等的出现，使数控机床已成为现代制造技术的基础，同时使人们对传统的机床传动及结构的概念发生了根本的转变。数控机床以数字信息技术为基础，集传统的机械制造技术、微电子技术、计算机技术、成组技术、现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术、网络通信技术、液压气动技术、光机电技术等技术的最新成果而迅速发展和广泛应用，使得普通机械加工设备逐渐被高效率、高精度的数控机床所取代，从而形成了巨大的生产力，导致机械制造业发生根本的变化。数控机床水平的高低和拥有量的多少，成为衡量一个国家工业现代化的重要标志。1.3.2机床中有关数控的基本概念在加工设备中应用广泛的数字控制(数控)技术，是一种采用计算机对机械加工过程中各种控制信息进行数字化运算、处理，并通过驱动单元对机械执行构件进行自动化控制的技术。现在已有大量机械设备采用了数控技术，其中应用面最广的就是数控加工设备(即数控机床)。下面介绍机床中的数字控制及数控技术、数控系统、计算机数控(CNC)系统、开放式CNC系统和数控机床几个概念的定义。1．数字控制(数控)及数控技术一般意义上的数字控制是指用数字化信息对过程进行的控制，是相对模拟控制而言的。机床中的数字控制专指用数字化信号对机床的工作过程进行的可编程自动控制，简称为数控(NC)。这种用数字化信息进行自动控制的技术就叫数控技术。2．数控系统数控系统是实现数控技术相关功能的软硬件模块的有机集成系统，是数控技术的载体。它能自动阅读输入载体上事先给定的程序，并将其译码，从而使机床按指令运动并加工零件。在其发展过程中有硬件数控系统和计算机数控系统两类。早期的数控系统主要由数控装置、主轴驱动及进给驱动装置等部分组成，数字信息由数字逻辑电路来处理，数控系统的所有功能都由硬件实现，故又称为硬件数控系统(NC系统)。3．计算机数控系统计算机数控系统是以计算机为核心的数控系统，由装有数控系统程序的专用计算机、输入输出设备、可编程逻辑控制器(PLC)、存储器、主轴驱动及进给驱动装置等部分组成，习惯上又称为CNC系统。由于计算机可完全由软件来确定数字信息的处理过程，从而具有真正的“柔性”，并可处理各种复杂信息，所以CNC系统已基本取代硬件数控系统(NC系统)。4．开放式CNC系统国际电子与电气工程师协会提出的开放式CNC系统的定义是：一个开放式CNC系统，应保证使开发的应用软件能在不同厂商提供的不同的软硬件平台上运行，且能与其他应用软件系统协调工作。根据这一定义，开放式CNC系统至少有以下五个特征：(1)对使用者是开放的：可采用先进的图形交互方式支持下的简易编程方法，使得数控机床的操作更加容易。(2)对机床制造商是开放的：应允许机床制造商在开放式CNC系统软件的基础上开发专用的功能模块及用户操作界面。(3)对硬件的选择是开放的：即一个开放式CNC系统应能在不同的硬件平台上运行。(4)对主轴及进给驱动系统是开放的：即能控制不同厂商提供的主轴及进给驱动系统。(5)对数据传输及交换等是开放的。开放式CNC系统是数控系统未来发展的方向。5．数控机床数控机床是指应用数控技术对其加工过程进行自动控制的机床。国际信息处理联盟第五技术委员会对数控机床做了如下定义：数控机床是一种装有程序控制系统的机床，该系统能逻辑地处理具有特定代码或其他符号编码指令规定的程序。1.3.3数控机床的组成及其各部分功能1、数控机床工作原理利用